水工闸门增材修复耐磨焊条堆焊层的组织及性能——文献学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《机械工程材料》2025年第49卷第11期，由中国长江电力股份有限公司、水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心及河海大学机电工程学院联合完成，受水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心开放研究基金资助。研究围绕水工闸门增材修复的实际需求，设计了一种新型耐磨焊条，采用手工电弧焊在Q235钢上进行水下三层多道堆焊试验，系统研究了堆焊层的显微组织、显微硬度及耐磨性能。

水工闸门是水电站、水库、渠道等水利工程的核心部件，长期处于水下或半水下运行状态，承受水流冲蚀、泥沙磨蚀、气蚀等多种形式的损伤。传统修复方式如更换整件闸门造价高、周期长，而堆焊修复是一种经济有效的增材修复手段。本文的研究正是针对这一工程痛点展开的。

耐磨焊条设计与堆焊工艺

焊条药皮组成分析

文献中设计的耐磨焊条药皮组成如下：

焊芯采用0Cr13不锈钢丝，这是一种低碳马氏体不锈钢，具有良好的焊接性和耐蚀性。药皮中多种合金元素的复合添加，旨在通过合金化效应和微观组织调控实现高硬度、高耐磨性的堆焊层。

水下焊接工艺特点

水下焊接是一项特殊焊接工艺，面临诸多技术挑战：电弧稳定性差、熔池保护困难、冷却速率大、氢致裂纹敏感性高等。本文采用手工电弧焊（SMAW）进行水下三层多道堆焊，这一工艺选择体现了工程实用性——水下作业条件下设备受限，SMAW是最灵活、适应性最强的焊接方法。

从工艺窗口控制的角度看，水下堆焊的关键参数包括：

• 焊接电流：需适当增大以补偿水下散热，但过大则导致熔池流动性差、成形不良
• 焊接速度：水下冷却快，需适当降低焊接速度以保证熔敷质量
• 层间温度：水下难以精确控制，通常依靠焊接热输入自然维持
• 堆焊道数与层数：三层多道焊有利于改善组织均匀性和减少缺陷

微观组织与性能分析

堆焊层组织特征

文献指出，耐磨焊条堆焊层中无裂纹等缺陷，组织为板条马氏体和少量δ-铁素体，马氏体沿温度梯度方向生长形成柱状晶。这一组织特征具有典型的焊接凝固特征：

• 板条马氏体：是低碳或中碳过冷奥氏体在较高温度区间（Ms以上约100~200°C）转变的产物，具有较高的强度和韧性，与片状马氏体相比，断裂韧性更好。
• δ-铁素体：在高温凝固过程中，当碳含量较低或冷却速率较快时，奥氏体中可能析出δ-铁素体。少量δ-铁素体有助于抑制热裂纹，但过多则降低硬度和耐磨性。
• 柱状晶：马氏体沿温度梯度方向（即垂直于堆焊层表面方向）生长形成柱状晶，这是焊接凝固的典型特征。柱状晶的长轴方向与热流方向一致，其力学性能具有明显的各向异性。

与普通焊条相比，耐磨焊条堆焊层的马氏体晶粒尺寸更小、体积分数更高，δ-铁素体含量更少。这一组织差异直接导致了耐磨性能的提升。

耐磨性能对比

磨损表面分析显示，耐磨焊条堆焊层存在浅且粗细均匀的犁沟，局部伴有少量剥落、磨屑及微裂纹，主要磨损机制为轻度磨粒磨损。犁沟特征表明磨粒在材料表面以犁削方式去除材料，而非以粘着或疲劳方式主导。

工程实践思考

水工闸门修复的工艺选择

水工闸门修复面临的核心挑战是：修复区域必须与原始基材具有良好的冶金结合和力学匹配，同时具备优异的耐磨、耐蚀性能。本文采用的SMAW水下堆焊工艺是一种成熟可靠的修复手段，但存在以下局限：

1. 水下焊接质量一致性较难保证，焊工技能对焊接质量影响显著。
2. 手工电弧焊效率较低，大面积修复时工期较长。
3. 水下环境对焊接参数的精确控制提出更高要求。

从技术发展趋势看，水下GMAW（气体保护电弧焊）或水下TIG焊（GTAW）等自动或半自动焊接方法在水下修复领域具有更大潜力，但设备复杂度和成本较高。

焊后处理的重要性

文献中未提及焊后热处理，这可能是一个工艺上的不足。堆焊层中马氏体组织如果未经回火处理，在服役过程中可能发生低温脆化或应力腐蚀开裂。对于Q235钢基材上的不锈钢堆焊层，由于热膨胀系数差异，焊后残余应力较大，建议采用600~650°C的回火处理以降低残余应力、提高韧性。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度看，水工闸门堆焊修复的潜在失效模式包括：

• 堆焊层开裂（热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀开裂）
• 堆焊层剥落（结合强度不足、残余应力过大）
• 堆焊层磨损失效（硬度不足、耐磨性不够）
• 基材热影响区性能劣化（过热、晶粒粗化）

针对每种失效模式，应采取相应的预防措施，包括优化焊接工艺参数、控制热输入、焊后热处理、严格的无损检测等。

学习心得与改进建议

本文的最大贡献在于针对水工闸门修复的实际需求，开发了一种性能优异的耐磨焊条，并通过水下堆焊试验验证了其有效性。焊条药皮的合理设计——多种合金元素的协同添加、稀土的细化晶粒作用、纤维素造气保护等——体现了焊接材料设计的系统思维。

从工程应用角度看，建议后续研究关注以下方面：一是开展水下堆焊层的长期服役性能跟踪，验证耐磨性能在实际工况中的表现；二是研究堆焊层与基材的结合强度及其在循环载荷下的疲劳行为；三是探索水下堆焊后的无损检测方法，确保修复质量可控。